大西洋经圈翻转环流(AMOC, Atlantic Meridional Overturning
Circulation)是全球气候系统的重要组成部分,AMOC将海洋在低纬度地区获得的热量向高纬度海域输送并在高纬度海域向大气释放热量,因此被称为热传输带。早期的研究发现AMOC的强度变化可以影响北大西洋乃至全球的气候。尽管参加第三次及第五次模式比较计划的集合模拟结果表明,AMOC在全球变暖情景下会减弱。值得指出的是,大多数参加模式比较计划的模式并不包含冰盖分模式。近来的观测表明格陵兰冰盖的消融正在加速,随之可能导致大量的淡水注入高纬度海域,并进而减少海表海水的密度,可能减少高纬度海洋的深海对流,减弱AMOC的强度。

BCS超导理论对金属或合金等传统超导体的超导机理给出了完美的解释。对BCS超导理论决定性的实验验证,特别是揭示传统超导体中电子配对是通过交换声子作为媒介而实现,则来自于隧道能谱实验对超导配对关联谱函数的确定。超导配对关联谱函数提供了指认导致电子配对的相互作用或媒介的关键指纹特征,其实验确定成为理解超导机理的关键。铜氧化物高温超导体的高临界超导温度及d波配对对称性等奇异特性,对传统的BCS超导理论提出了挑战。经过近三十年的大量理论和实验研究,铜氧化物高温超导体的超导机理仍然没有形成共识。由于铜氧化物高温超导体具有强烈各向异性的电子结构和d波超导能隙,依靠传统的隧道能谱实验来获取超导配对关联谱函数的方法不再简单适用。角分辨光电子能谱技术因为具有直接分辨动量的能力,被认为是最有希望在铜氧化物高温超导体中获得超导配对关联谱函数的新的首选手段。长期以来,这项工作因面临两方面的挑战而难以开展,一是角分辨光电子能谱的测量必须满足极为严苛的超高精度的要求,二是必须发展通过角分辨光电子能谱数据解析出d波超导体中超导配对关联谱函数的相关理论及数值分析方法。

观测上,黑洞有两个极端的质量,一类是由大质量的恒星死亡坍缩后形成,称为恒星级黑洞,质量在几倍至几十倍太阳质量;另一类是位于星系中央的超大质量黑洞,其质量可达数百万至数十亿倍太阳质量。而处于这两个极端质量之间的黑洞,即所谓的中等质量黑洞在大约一百至十万倍太阳质量之间。这类黑洞是否存在,仍未有定论,而它的存在与否对于超大质量黑洞是如何形成的具有重大的意义。天文学家们已经寻找了几十年,也有很多天体被认为是中等质量黑洞的候选体,但是迄今仍然没有充分的证据来证明。超亮X射线源就是一类这样的候选体,而光度最高的超亮X射线源ESO
243-49
HLX-1则是这类候选天体中最有可能的一个。近日,中国科学院上海天文台研究员余文飞领导的科研团队对这个源的身份之谜展开了进一步的研究,分析了X射线卫星Swift对HLX-1从2009年至2015年的六个爆发的监测数据,通过与银河系内恒星级黑洞X射线双星比较,阐述了其作为中等质量黑洞的可能性大小。“这个谜底还未解开,但我们已经在路上”。该工作发表在天文国际核心期刊《天体物理杂志》(Astrophysics
Journal
)。

围绕上述科学问题,中国科学院大气物理研究所于雷和郜永祺等研究人员与挪威南森环境与遥感中心、皮耶克尼斯气候中心等合作,利用气候模式研究了AMOC对高纬度海洋淡水增加的响应以及对东亚气候的影响,研究结果指出:1)海洋模式中垂直混合的参数化方案对AMOC在持续增高的淡水强迫下的响应有重要影响,采取与海水层结相关的垂直混合参数化方案所模拟的AMOC,在持续增高的淡水强迫下具有“自愈”能力:即先减弱再逐步恢复。这一研究结果有别于此前国内外的大部分研究工作所提出的在持续淡水强迫下的AMOC“中断”或持续减弱的结果;2)当AMOC减弱的程度达到一定的阈值,可以引起东亚气候的异常响应。这一机制可以描述为:与AMOC减弱相对应的大西洋海表温度异常通过大气桥可以引起热带东太平洋海温出现年代际类ENSO模态,同时热带西太平洋上空Walker环流上升支东移,最终导致东亚夏季风减弱;3)当格陵兰冰盖的融化引起淡水的注入主要集中在格陵兰东岸时,AMOC的减弱程度相对于沿格陵兰西岸或全岸更加显著。这一结论意味着,IPCC
AR5中淡水沿着格陵兰全岸均一地注入北大西洋海域所得到的没有显著变化的AMOC的结果,需要采用更接近实际的排放位置的试验做进一步评估。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室超导国家重点实验室周兴江研究组的JinMo
Bok、俞理及张文涛、何俊锋和张玉晓等,与美国加州大学Riverside分校教授
Chandra Varma和韩国成均馆大学教授Han-Yong
Choi等合作,利用自主研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱具有超高精度的优势,发展了相关的理论和数值分析方法,经过近七年的努力和积累,第一次成功解析出铜氧化物高温超导体的配对关联谱函数,在理解高温超导体的电子配对机理方面取得重要进展。

HLX-1是2009年由当时图卢兹大学的Sean
Farrell领导的研究团队从欧洲空间局的XMM-Newton
X射线望远镜的数据中发现的。HLX-1是目前已知的光度最高的超亮X射线源。这么高的X射线光度(~1
x 1042erg s−1, 0.2-10.0
keV)很难是由恒星级质量黑洞产生的,而它又位于星系ESO
243-49的边缘,肯定不是星系中心的超大质量黑洞,使得HLX-1成为了中等质量黑洞最强有力的候选者。

上述研究结果已陆续在《科学通报》、Advances in Atmospheric Sciences
Climate Dynamics 等杂志发表。

真空紫外激光角分辨光电子能谱系统的使用,为铜氧化物高温超导体Bi2212在不同温度和不同动量空间获得超高精度的系统测量提供了可能。通过d
波超导态格林函数对角分辨光电子能谱数据的自洽拟合分析,可以成功提取出Bi2212高温超导体的正常自能和配对自能。结合Eliashberg理论和运用最大熵方法,通过反演在国际上首次定量获得了正常关联谱函数(normal
Eliashberg function)和配对关联谱函数(pairing Eliashberg
function)及其随动量和温度的演变关系。突出的实验结果包括:
不论是正常关联谱函数,还是配对关联谱函数,除了低能结构之外,都包含类似的不随能量演变的高能部分,表明铜氧化物高温超导体与传统超导体具有显著不同的电子配对起源;
在低温超导态,正常关联谱函数和配对关联谱函数趋于一致,第一次从实验上提供了导致正常自能和配对自能形成的元激发来源一致的直接证据;
正常关联谱函数基本不随动量演变,揭示了铜氧化物高温超导体的一个核心悖论:
同样的涨落产生的正常自能和动量无关,但产生的配对自能则处于d 波通道;
根据这些定量确定的配对关联谱函数估算出的临界超导温度,与实验材料的超导温度基本一致。

如果HLX-1包含了一颗中等质量黑洞,对于它的形成和演化,大家有众多猜测,其中一种说法即是其来源于星系碰撞并合。之前有些工作猜测HLX-1本身位于一个矮星系的中心,随后这个星系与大星系ESO
243-49发生碰撞并合,矮星系中的恒星被大星系吞噬从而使其中心黑洞——HLX-1——暴露出来。Sean
Farrell在2012年利用哈勃空间望远镜观测到HLX-1附近可能存在大量年轻的蓝色恒星,这些观测证据暗示了上述观点的可能性。

论文信息:

这项工作首次直接揭示出了铜氧化物高温超导体中超导驱动激发谱的能量和动量特征,通过与目前普遍存在的配对媒介模型(声子、自旋涨落、Hubbard模型涨落和回路电流序涨落等)进行详细比较,为甄别和确立高温超导配对机理和进一步的理论研究提供了决定性的关键信息。同时围绕这项工作所发展的实验技术、理论研究和数值方法等,为研究其它超导体的超导机理开辟了一种统一而有效的途径。国际著名超导理论物理学家Lev
Gorkov在评论该项工作时指出:“这篇文章在直接从实验上获得相关的电子-电子相互作用方面是一个大胆和成功的尝试。他们高超的研究方法,为研究其它强关联体系的超导机理开启了新的前景”。

对HLX-1在X射线波段的监测表明其有类周期性的X射线爆发,大约一年左右会爆发一次,其中会经历大约十天左右的爆发上升时期和200天左右的爆发下降时期,随后进入了休眠状态。这种爆发性质吸引了众多天文学家的研究兴趣。因为它的爆发与已知的大多数银河系内恒星级黑洞X射线双星系统十分相似,而它们的爆发一般认为来自于吸积盘的不稳定性,其爆发的时标由粘滞时标决定。

1)Yu Lei, Yongqi Gao, Odd Helge Otter?, The sensitivity of the
Atlantic meridional overturning circulation to enhanced freshwater
discharge along the entire, eastern and western coast of Greenland.
Climate Dyn.
2016, 46: 1151-1369.

相关研究结果发表在近期的Science Advances上【JinMo Bok et al.,
Quantitative determination of pairing interactions for high-temperature
superconductivity in cuprates
, Science Advances 2, e1501329 。

前人工作通过计算发现如果HLX-1包含了一颗中等质量黑洞,它的粘滞时标大约为百年量级,而观测到的爆发只有百天量级,这一矛盾使人们推论其X射线爆发并不能简单地由吸积盘模型的不稳定性解释。其他工作又提出了一种解释,认为一颗恒星沿着非常椭圆的轨道围绕黑洞旋转,当它靠近黑洞时,物质就被黑洞吸积,从而引起了爆发。随着爆发的增多,大家发现它们的间隔并不是周期性的,所以这个模型也被否定了。HLX-1的爆发的原因依然是个未解之谜。

2) Yu, L., Y. Q. Gao, The spatial and temporal response of Ocean Heat
Transport and its mechanism in an enhanced freshwater experiment in
North Atlantic.
Acta Meteorological Sinica, 2011, 25 364-375.

上述研究工作获得了国家自然科学基金委(11190022 和
11334010)、科技部和中科院先导B项目等基金的资助。

上海天文台余文飞领导的科研团组分析了X射线卫星Swift对HLX-1从2009年至2015年的六个爆发的监测数据。“我们的研究定量地证实了HLX-1的一些爆发的性质(比如上升时标,下降时标,持续时标,释放的总能量等)随着时间有演化趋势,而且我们发现随着时间的推移,HLX-1在爆发期间的时间越来越短,在休眠期间的时间越来越长,这个发现有助于揭示它的爆发的起源。”

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